Управляемая магнитная опора

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к шпиндельным узлам с магнитными опорами ротора. Цель изобретения - повышение точности стабилизации вала относительно неподвижной базы (фундамента). В контур управления магнитной опоры введен блок динамической модели движения корпуса относительно неподвижной базы. Входные параметры модели поступают в нее из контура регулирования магнитной опоры и полученное в ней смещение корпуса относительно базы складывается в контуре со смещением подвешиваемого тела относительно корпуса. В результате из сигнала датчика смещения, установленного на корпусе, отфильтровывается составляющая, обусловленная смещением корпуса магнитной опоры относительно неподвижной базы под действием электромагнитных сил магнитной опоры. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (3)g 016 С 39/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BT0PCH05hV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ, КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИИМ

ПРИ ГКНТ СССР

3 ,(21) 4464590/31 27 (22) 22.07.88 (46) 07.09.90.- Бюл. 31 ЗЗ (73) Московский энергетический ин ститут (72) В.Н.Бетин, А.Б.Дзевишек и А.A.Êàðïîâ (53) 623.822.5(088.3) (56) Авторское свидетельство СССР

31 3053343, кл. F 16 С 39/06, 1982. (54) УЙРАВЛЯЕИАЯ МАГНИТНАЯ ОПОРА

-(57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к шпиндельным узлам с магнитными опорами ротора.

Цель изобретения - новьппение точности стабилнзация вала-относительно неподвижной базы (фундамента). В коиИзобретение относится к машиностроению и может быть использовано в шпиядельных .узлах на магнитных опорах.

Целью изобретения является повышение точности стабилизации положения вала относительно неподвижной базы,, на которой закреплен корпус магнитной . опорь1 путем формирования оценки смещения корпуса электромагнитной опоры относительно неподвижной базы.

На фиг.1 представлена функциональная схема управляемой магнитной опоры; на фиг.2 - схема блока динамической модели.

Управляемая магнитная опора содержит подвешенное тело — вал 1, электромагнитные элементы 2 и 3, корпус 4, датчик 5 смещения подвешиваемого тела относительно корпуса, несущие эле„.Я0„„1590731 А1 тур управления магнитной опоры введен блок динамической модели движения корпуса относительно неподвижной базы. Входные параметры модели поступают в нее из контура регулирования магнитной опоры и полученное в ней смещение корпуса относительно базы складывается в контуре со смещением подвешиваемого тела относительно корпуса. В результате из сигнала дат-. чика смещения, установленного на корнусе, отфильтровывается составляющая, обусловленная смещением корпуса магнитной опоры относительно неподвижной базы под действием электромагнитных сил магнитной опоры. 1 3.п. ф-лы, 2 ил . менты б, фундамент 7, блок 8 управления, источник 9 питания, первьп сумматор 10, блок 11 обработки сигнала смещения, второй сумматор 12, блок 13 динамической модели.

Блок 13 динамической модели содержит третий сумматор 14, второй делитель 15, тре-.ий делитель 1б, пятый делитель 17, четвертьц сумматор 18, второй интегратор 19, пятый сумматор

20, первьп инт"..гратор 21, четвертый делитель 22, первый делитель 23.

Вал 1 связан электромагнитным полем с электромагнитными элементами

2 и 3 и оптической, индуктивной или. емкостной связью с датчиком 5 смещения подвешиваемого тела, жестко связанного с корпусом 4 электромагнитной опоры, который закреплен на несущих элементах б, установленных

1590731

15 на фундаменте 7» Электромагйитные элементы 2 и 3 пщцслючеиы своими обмотками к блоку 8 управления, кото5

; рый подключен сетевым входом к источнику 9 питания и управляющим входом к выходу первого сумматора 10, первый вход которого подключен к выходу "Оценка смещения".блока ll .обработки сигнала смещения, а второй 10 вход к выходу "Оценка скорости смещения" блока 11 обработки сигнала смещения, Выход последнего подключен к вьходу второго сумматора 12, первый

: вход которого связан с датчиком 5 смещения, второй вход — с выходом блока 13 динамической модели. Первый вход последнего подключен к датчику

5 смещения1 второй вход - к выходу первого сумматора 10 и третий вход — 20 к выходу "Оценка смещения" блока !1 обработки сигнала смещения 11, Первый вход блока 13 динамической модели образован первым прямым входом третьего сумматора 14, третий вход блока 13 динамической модели образован инверсным входом третьего сумматора 14, который, вторым входом подключен к выходу первого интеграто-. ра 21, а выходом - к входам вторсга

15 и третьего 16 делителей. Выход второго делителя 15 связан с прямым входом четвертого сумматора 18, первый инверсный вход которого связан с выходом пятого делителя 17, вход которого образует второй вход блока динамической модели 13. Второй инверсный вход четвертого сумматора 1.8 связан с выходом первого делителя 23, третий инверсный вход чатвертого сумма- 40 тора 18 .связан с выходом четвертого делителя 22,.а выход — с входом второго интегратора 19, выход которого в свою очередь. связан с входом четверто- . го делителя 22 и вторым прямым входом 45 пятого сумматора20,подключенного первым входом к выходу третьего делите1 ля 16. Выход пятого сумматора 20 подключен к входу первого интегратора °

21, выход которого образует выход блока 13 динамической модели, и внутри блока подключен к входу первого делителя 23.

Под действием внешней возиущающеи силы F вал 1 смещается s 55 системах координат x и х, связанных с фундаментом 7 и корпусом 4 опоры. Смещение sana относительно корпуса 4 опоры, фиксируется датчиком

5 смещения, сигнал на выходе которого можно, записать у >g хк+ ею где е - шум измерений; х — смещение тела 1 в системе т координат фундамента 7; х - смещение корпуса 4 опоры

K под действием электрсмагнитFÝМ H F9y2 новленного на несущих элементах 6 с жесткостью С и демпфированием в системе координат, фундамента 7, Сигнал с датчика 5 смещения поступает на первый вход блока !3 динамической модели, в котором реализована модель движения корпуса 4, Движение корпуса вала описывается уравнениями и модели: и Л х Ч„+ L (у - х,. + xK);

-+ 1 4 (y — x7 + хк) l x„= Чт в где M — масса корпуса, включающая массу всех установленных на нем .элементов;

L Ь вЂ” коэффициенты обратной связи

3 динамической модели движения корпуса опоры.

На основе информации о требуемой управляющей электромагнитной силы

F = F — F сигнал прапарцианальзм эл«эчг ный которой формируется на выходе первого сумматора 10 и оценки cMemeА ния подвешиваемаго тела хт, получаемого с соответствующего выхода блока

l! обработки сигнала смещения, блок !

3 динамической модели формирует оцени ку смещения корпуса опоры х „и оценку л скорости корпуса 1 . Оценка х < поступает на второй прямой вход второго сумматора 12, первый прямой вход которого подключен к датчику 5 смещения.

В результате на выходе сумматора 12 формируется сигнал смещения подвешиваемого тела относительно фундамен» та 7: л х= у+х, ь

Этот сигнал поступает на вход блока 11 обработки сигнала смещения, в котором реализована модель движения подвешиваемого тела I в системе координат фундамента 7. Она описывается уравнением и л .х =V + L,(õ - х );

15907

35 л л т M (Fw< F»<) + Lг("o "т) л х Чт где Ь 3 и L — ко эффициенты обратной 5 связи, и формирует оценки смещения х подвешиваемого тела и скорости 7 в системе координат фундамента. Оценки х и 1 поступают с соответствующими 10 коэффициентами обратной связи на

-вход сумматора 10, вычисляющего управляющую силу: л зм - К1х т — КР .

15 где К, и К вЂ” коэффициенты обратной связи, С выхода сумматора 10 сигнал F>„, поступает на управляющий вход блока

8 управления, который подключен к ис- 20 точнику 9 питания. Блок управления формирует токи обмоток электромагнитных элементов 2 и 3. В результате на подвешиваемое тело 1 действуют управляющие силы Рзлл и Гзл, равно- 25 действующая которых совпадает с F кл и компенсирует отклонение подвешиваембго тела 1 относительно неподвижной фазы фундамента 7 независимо от вибраций корпуса 4. Возможность компенсации сос- 30 тавляющей хк() во входном сигнале у(t) датчика 5 смещения обусловлена устойчивостью движения корпуса 4 относительно фундамента 7. Его можно записать в виде суммы свободной составляющей x, (t, х (0)), зависящей от времени t и начальных условий х „(О), и вынужденной х (в, у ), заВ висящей от времени и силы Г р.

Очевидно; что, если сигнал F „„ подать на вход модели, уравнения которой совпадают с уравнением корпуса 4, то независимо от начальных условий составляющая х (t, хK(О).) стремится ,.С

"к к нулю и, следовательно, фазовые координаты модели и коргуса совпадают.

Более строго это можно показать, если записать совместное уравнение динамики вала 1 и корпуса 4 в системе координат фундамента 7. При этом совместная система является стабилиэируемой и наблюдаемой, а коэффициенты обратных связей блока обработки сигнала смещения подвешиваемого тела 1 и блока 13 динамической модели движения корпуса определяются из соотношений . ь eL,/с; {6)

Ь (C, — Ь Ь)/С; (3 л Зв

Ь Ы, + Lg — >L> -М + С, где 0 „,Ф,H<, K > †коэффициенты характеристического полинома, определяющего желаемое распределение.корнеи.

В зависимости от конструктивных особенностей устройства с магнитными опорами динамическая модель (фиг.2) может быть и более сложная, т.е. более высокого порядка. Степень детализации динамической модели зависит от степени проявления динамических свойств элементов конструкции крепления корпуса к фундаменту.

Управляемые магнитные опоры когут быть выполнены как электромагнитными (фиг,I), так и магнитаэлектрическими, электростатическими, магниторезонансными, электродинамическими и т.д.

Система полного подвеса имеет аналогичные контурыФуправления по всем координатам.

Оиооа позволяет отфильтровать из сигнала датчика смещения подвешивае-. мого тела относительно корпуса составляющую, обусловленную смещением корпуса опоры относительно базы (фундамента), и тем самым повысить точность стабилизации подвешиваемого тела относительно неподвижной базы (фундамента).

Формула изобретения

1.управляемая магнитная опора, содержащая вал, корпус, электромагнитные элементы,.жестко соединенные с корпусом, датчик смещения вала, установленный на корпусе, блок обработки сигнала смещения, имеющий два выхода, сумматор, входы. которого соединены с выходами блока обработки сигнала смещения, а выход — с управляющим входом блока управления, подключенного выходами к обмоткам электромагнитных элементов, а сетевым входом — к источнику питания, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности стабилизации продольной оси вала относительно неподвижной базы, она снабжена блоком динамической модели движения корпуса относительно базы, первый, второй и третий входы которого подсоединены соответственно к датчику смещения, выходу сумматора и одно1590731 му из. выходов блока обработки сигна= ла смещения, и вторым сумматором, входы которого подключены к выходу блока динамической модели и датчику смещения, а выход — к входу блока обработки сигнала. смещения.

2.Опора по п.l, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок динамической модели выполнен в виде третьего, четвертого и пятого сумматора, пяти делителей сигнала, двух интеграторов, причем первый прямой вход третьего сумматора является первым входом блока динамической модели, инверсный вход третьего сумматора является третьим входом блока динамической модели и подключен к выходу "Оценка смещения" блока обработки сигнала смещения, второй прямой вход третьего сумматора соединен с входом первого делителя и подключен к выходу пер-. вого интегратора, который является также выходом блока,: динамической модели, выход третьего сумматора подключен через второй делитель к прямому .входу четвертого сумматора и через третий делитель - к первому прямому входу пятого сумматора, второй прямой вход которого подключен к выходу второго интегратора, подключенного также к входу четвертого масштабирующего элемента, а выход пятого сумматора соединен с входом первого интегратора, первый инверсный вход четвертого сумматора соедиf5 нен с выходом пятого делителя, вход которого является вторым входом блока динамической модели, второй инверсный вход четвертого сумматора соединен с выходом первого делителя, а третий инверсный вход четвертого сумматора — с выходом четвертого делителя, выход четвертого сумматора соединен с входом второго интегратора.

1590731

Составитель А. Сладков

Техред Л. Сердюкова Корректор СД1евкуи

Редактор М.Блаиар

Заказ 2625 Тираж 527 - Подписиое ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, N-35, Рауюская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101